Polvo de aleación de alta temperatura

Polvos de aleación de alta temperatura son materiales que pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin deformarse ni deteriorarse. Estos materiales avanzados son vitales para aplicaciones en entornos extremos como motores a reacción, turbinas de gas, cohetes, reactores nucleares, etc.

Polvo de aleación para altas temperaturas

Las aleaciones de alta temperatura, también conocidas como superaleaciones, tienen una excelente resistencia mecánica, resistencia a la deformación por fluencia térmica, buena estabilidad superficial y resistencia a la corrosión y la oxidación a altas temperaturas. Sus principales características son:

• Soporta temperaturas superiores a 1000°C
• Mantienen la resistencia, la tenacidad y la estabilidad a altas temperaturas
• Se utiliza para secciones ultra calientes de motores a reacción y turbinas de gas
• Más duro que las aleaciones de titanio y la mayoría de los aceros
• Principalmente aleaciones a base de níquel, cobalto o hierro

Composición: Las aleaciones de alta temperatura contienen combinaciones complejas de materiales como níquel, cobalto, hierro, cromo, aluminio, wolframio, molibdeno, tántalo, niobio, etc. en porcentajes variables. La composición precisa se adapta a las necesidades de la aplicación.

Producción: El polvo de superaleación se fabrica mediante atomización con gas o agua de aleaciones fundidas en finos polvos esféricos optimizados para la fabricación aditiva o la pulverización térmica. Otros métodos de producción de polvo son la fusión por inducción en vacío, la fusión por arco en vacío y el prensado isostático en caliente, entre otros.

Tipos comunes: Las clasificaciones más populares incluyen superaleaciones a base de níquel, cobalto y hierro. He aquí algunas variedades comunes:

• Aleaciones de níquel - Inconel, Hastelloy, Waspaloy, aleaciones Rene
• Aleaciones de cobalto - Haynes, aleaciones HS
• Aleaciones de hierro - A286, aceros 9Cr

Propiedades clave: Los polvos de superaleación ofrecen propiedades excepcionales como:

• Resistencia a altas temperaturas - Para piezas portantes
• Resistencia a la fluencia y a la fatiga - Crucial para la fiabilidad
• Resistencia a la oxidación y a la corrosión - Previene el deterioro
• Estabilidad térmica - Rendimiento constante en caliente
• Soldabilidad - Para fabricación y reparación

Aplicaciones de Polvo de aleación de alta temperatura

Gracias a su durabilidad a temperaturas extremas, los polvos de aleaciones de alta temperatura se utilizan para fabricar componentes para las secciones más calientes de:

• Motores de aviones a reacción
• Turbinas de gas terrestres
• Plantas de gasificación de carbón
• Cohetes espaciales y reactores nucleares
• Equipos de perforación de petróleo y gas

Motores a reacción: Las superaleaciones constituyen más del 50% de las piezas avanzadas de motores a reacción, como álabes, cámaras de combustión y componentes de postcombustión. Las aleaciones de níquel como Inconel 718 y René N5 destacan en aplicaciones de motores a reacción, ya que resisten un calor inmenso y las fuerzas centrífugas.

Turbinas de gas: Las aleaciones a base de hierro y níquel soportan las altísimas temperaturas de las secciones calientes de las turbinas de gas. Piezas como álabes, toberas y cámaras de combustión funcionan a más de 1.000 °C y dependen de aleaciones como Inconel 738 y Haynes 230.

Centrales de carbón: Las aleaciones de hierro y níquel de las plantas de gasificación de carbón deben funcionar a más de 850 °C en entornos sulfurosos altamente corrosivos. En estos casos, aleaciones como el acero inoxidable 310 y el Inconel 601 soportan el calor.

Aeroespacial: Las aleaciones de níquel de alta temperatura fabrican muchos componentes de motores de cohetes y reactores nucleares para aplicaciones espaciales. Las muestras incluyen cámaras de combustión, toberas de empuje, elementos de combustible y elementos de fijación fabricados con la aleación NB-36.

Aceite/Gas: Las operaciones de perforación utilizan a menudo la aleación HS-188 de alto contenido en cobalto para componentes y herramientas utilizados en entornos de pozos petrolíferos extremadamente calientes y corrosivos.

Especificaciones del polvo de aleación de alta temperatura

El polvo de superaleación tiene una diversa gama de materiales y composiciones adaptados para funcionar a distintos umbrales de temperatura, desde 800°C hasta más de 1000°C. Estos son algunos de los grados y especificaciones más comunes:

Aleación	Material de base	Temperatura máxima (°C)	Características
Inconel 625	Níquel	1000°C	Excelente resistencia a la corrosión hasta 980°C
Hastelloy X	Níquel+Hierro+Cromo	1150°C	Resiste la oxidación y la sulfidación
Haynes 230	Níquel+Cromo+Tungsteno	1100°C	Resiste choques y ciclos térmicos
Incoloy 800	Hierro+Níquel+Cromo	1150°C	Maneja atmósferas de carburación
René 41	Níquel+Cromo	1100°C	Aleación para motores a reacción con buena ductilidad

Normas del producto: Especificaciones clave de aleaciones populares:

• Inconel 718 - AMS 5662, ASTM B637
• Hastelloy C276 - ASME SB574
• Incoloy 800H - AMS 5540A
• Haynes 214 - AMS 5759, AMS 5382

Tamaños de polvo: Distintas fracciones de tamaño optimizadas para diversos procesos de AM:

• Fusión láser en lecho de polvo: 15-45 micras
• Chorro de ligante: 300+ micras
• Deposición de energía dirigida: 45-150 micras

Comparación entre materiales de superaleación en polvo

Las distintas opciones de aleaciones de alta temperatura tienen puntos fuertes y débiles relativos:

Parámetro	Aleaciones de níquel	Aleaciones de cobalto	Aleaciones de hierro
Temperatura máxima	1000-1150°C	1000-1150°C	700-1000°C
Coste	Más alto	Gama media	Más bajo
Fuerza	Fuerte	Más fuerte	Fuerte
Resistencia a la oxidación	Mejor	Muy buena	Moderado
Fatiga térmica	Excelente	Muy buena	Limitado
Ejemplos	Inconel, Waspaloy	HS-188, Haynes 25	Acero inoxidable 310, Fecralloy

Así, las aleaciones de níquel suelen superar a las demás en temperaturas extremas y resistencia a la corrosión. Pero las aleaciones de cobalto ofrecen la mayor resistencia bruta, mientras que las aleaciones de hierro ofrecen opciones económicas.

Proveedores de Polvo de aleación de alta temperatura

Muchos proveedores de materiales avanzados ofrecen diversos tipos de polvo de superaleación. Algunos de los principales fabricantes son:

Proveedor	Marcas de aleación	Métodos de producción	Precios
Sandvik	Osprey, Nikrotalloy	Atomización de gas	$$$$
Praxair	Contalloy, Termoaleación	Fusión por inducción en vacío	$$$
Polvos AMC	Ferroaleaciones	Atomización del agua	$-$$
Tekna	Aleaciones Ultramet	Esferoidización del plasma	$$$
Special Metals Corp	Inconel, aleaciones René	Métodos múltiples	$$$$

Los precios varían en función del tipo de aleación, la distribución del tamaño de las partículas, la esfericidad, la cantidad, los niveles de pureza y otros factores. Las pequeñas cantidades de laboratorio pueden costar más de $500/kg. Los grandes lotes comerciales rondan los $100-300/kg para las aleaciones más comunes.

Ventajas e inconvenientes del polvo de aleación de alta temperatura

Pros	Contras
Soporta temperaturas extremas de más de 1000°C	Muy caro, más de 3 veces el coste de los aceros
Conservan la fuerza y resisten la deformación por fluencia	Sensible a impurezas o defectos menores
Excepcional resistencia a la corrosión y la oxidación	Propenso al agrietamiento por deformación si no se enfría correctamente
Estabilidad térmica y conductividad	Difícil de mecanizar o trabajar con métodos convencionales
Varios elementos de aleación proporcionan propiedades a medida	Requiere métodos avanzados de producción de polvo y fabricación aditiva

En resumen, las extraordinarias propiedades térmicas de las superaleaciones justifican su elevado precio para aplicaciones ultrarrápidas. Pero siguen siendo materiales difíciles de fabricar con métodos tradicionales.

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué hace que las superaleaciones resistan temperaturas tan extremas?

R: Las combinaciones cuidadosas de níquel, cobalto, cromo, aluminio, tungsteno, etc. confieren fuerza, resisten la fluencia y el deterioro de las propiedades a altas temperaturas de funcionamiento por encima de 85% de sus puntos de fusión.

P: ¿Qué métodos de fabricación aditiva funcionan con polvos de superaleaciones?

R: La fusión de lecho de polvo por láser y la deposición de energía dirigida son adecuadas para procesar polvo de aleación a alta temperatura. La inyección de aglutinante es viable, pero puede requerir etapas adicionales de sinterización e infiltración.

P: ¿Cómo se reparan o arreglan los componentes de aleaciones de alta temperatura?

R: La soldadura fuerte, la soldadura blanda y los recubrimientos por pulverización térmica con material de relleno de superaleación adecuado pueden restaurar los componentes dañados. Las piezas también pueden recuperarse mediante prensado isostático en caliente.

P: ¿Son reciclables las aleaciones de alta temperatura?

R: Sí, la chatarra y los polvos de superaleaciones pueden recuperarse y reprocesarse mediante fusión por inducción en vacío y atomización para convertirlos en materia prima en polvo fresco para la producción de AM. Esto supone un importante ahorro de costes.

P: ¿Cuáles son las aplicaciones típicas de las aleaciones de hierro para altas temperaturas?

R: Las superaleaciones de hierro de bajo coste se utilizan mucho en calentadores, hornos de etileno, revestimientos de combustible nuclear, equipos de generación eléctrica y equipos de refinado químico.

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